1. 类加载机制的定义

JVM把描述类的数据从Class文件中加载到内存中，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可被JVM使用的Java类型。

2. 类加载的生命周期

JVM的类加载机制-JVM学习笔记3 - 图1

加载, 验证，准备，初始化，卸载的顺序就是如图所示已经确定，不过解析阶段有些情况下会在初始化之后开始(Java的运行时绑定)。

JVM规范中没有给出 发生 加载 的时机，由不同的虚拟机各自实现，而 初始化 的开始时机是有严格规定的：

①：遇到以下4个字节码指令时，需要先初始化。

  1. 遇到 new 字节码,对应Java代码场景:使用new关键字实例化对象。
  2. 遇到 getstatic 字节码, 对应Java代码场景:读取类的静态字段。
  3. 遇到 putstatic 字节码，对应Java代码场景中的设置一个类的静态字段。 (通过子类调用父类的静态字段，只会初始化父类)
  4. 遇到 invokestatic 字节码，调用一个类的static 方法。

②,使用java.lang.reflect包的方法对一个类进行反射调用，如果该类此时未初始化，则需先初始化。

③,一个类初始化时，先触发父类的初始化。

④,用户指定的执行的主类 含有 main() 方法的类。
JVM的类加载机制-JVM学习笔记3 - 图2

下面再列几个不会出现初始化的情况，需要我们注意 :

  1. 通过子类调用父类的静态字段时，只会初始化父类。
  2. 声明一个对象数组，不会初始化该类。
  3. 调用一个类的静态字段，如果该字段是一个常量，类不会被初始化，因为常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类。

接口的初始化与类的初始化的区别:

初始化一个类时，必须先触发父类的初始化。
接口初始化时，并无此要求。

3.类加载的具体过程

加载，验证，准备，解析，初始化的过程。

① 加载

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加载阶段,JVM做了3件事情：

  1. 通过类的全限定名，来获取定义此类的二进制字节流。
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的格中数据入口。

在这个阶段，我们开发人员可以既可以使用系统提供的引导类加载器来完成加载阶段，也可以定义我们自己的类加载器，来控制字节流的获取方式(重写一个类加载器的loadClass()方法)。

加载所需的 二进制字节流 可以来来自ZIP(JAR,WAR,EAR)包中,也可以来自网络,或者运行时通过动态代理生成。

数组: 数组类型由JVM直接创建,数组中的元素类型由类加载器加载
非数组 : 通过系统提供的类加载器或者自己实现的类加载器加载。

② 验证(进入连接阶段)

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验证阶段的目的: 为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前JVM的规范，不会影响到JVM的自身安全,保证JVM不会受到恶意代码攻击。

验证阶段进行的4个检验动作:

1. 文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件规范,能否被当前的JVM处理。保证输入的字节流能够正确的被解析，并且能够存储在方法区之内，格式上必须符合描述一个Java类型信息的要求。

这一验证阶段完成后,后面的3个验证操作都是基于方法区的存储结构，而不是字节流。

2.元数据验证

对字节码描述的信息进行语义分析，保证描述的信息符合Java语言的规范。
检验数据类型等是否规范，如:

  • 这个类是否有父类，所有都应当有Object这个父类(除了它自己)。
  • 这个类是否继承了不被允许继承的父类 (被final修饰的类)
  • 这个类如果不是抽象类，是否实现了它继承的抽象类或者接口的所有抽象方法。
  • 对父类或者接口的方法实现符不符合规范,返回值，方法名等等。

3.字节码验证

通过对数据流和控制流分析，确定程序的语义是合法且符合逻辑的。这个阶段主要方法的方法体进行分析，确保方法体中的实现不会危害到虚拟机

4.符号引用验证

在 连接 的第三个阶段—-解析阶段中发生，对类自身以外的信息进行匹配性检验(对常量池中符号的引用)。

这一阶段主要是确保 解析 的正常执行,这个阶段如果验证不通过，会抛出异常:

  • java.lang.IlleagalAccessError
  • java.lang.NoSuchFieldError
  • java.lang.NoSuchMethodError

③ 准备

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准备阶段开始为类变量(static 变量)在方法区中分配内存并设置初始值，
如,类中: 

  1. public class Test {
  2.     public static int num = 123;
  3. }

num变量在这一阶段被初始化的值为 0，也就是根据数据类型设置它们的0值, 但是如果 是被 static final修饰的变量 

  1. public class Test {
  2.     public static final int num = 123;
  3. }

num变量在这一阶段将被初始化为 123.

④ 解析

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此阶段将虚拟机常量池中的符号引用转化为直接引用。

符号引用是在Class文件中以字面量定义的一组符号，能够通过它来定位到目标，与虚拟机的内存布局无关。 \
直接引用可以是直接指向目标的指针，相对偏移量,或者一个间接定位到目标的句柄,直接引用和虚拟机的内存布局有关。

⑤ 初始化

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  • 在此阶段，开始执行Java程序代码，执行类的构造器 <clinit>() 方法(与实例构造器 <init>() 区分开)的过程。

<clinit>() 方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和 static{} 语句块合并而成的，收集顺序由它们在代码中的位置前后顺序决定。 static{} 可以访问在它之前定义的变量并且赋值,对于在它之后的变量能够赋值但是不能访问。 

  1. public class Test {
  2.     public static final int num ;
  4.     static {
  5.         num = 123; //可以赋值
  6.     }
  7. }
  1. public class Test {
  2.     static {
  3.         System.out.print(num)//不能访问num,编译器会报错
  4.     }
  6.     public static final int num = 123;
  7. }

  • <clinit>() 方法由jvm在第一次读取Class文件时调用,属于类级别,并且JVM会在子类的 () 执行之前，先执行 父类的 () 方法,因此，JVM中第一个被调用的肯定是java.lang.Object的 <clinit>() 方法,也因为如此,父类的 static{} 代码块肯定比子类的赋值语句先执行。

  • 如果一个类中没有 static{} 代码块和变量值赋操作，那么它的 <clinit>() 方法就不会生成。

  • <clinit>() 方法是线程安全的。

  • 执行接口的 <clinit>() 方法不需要先执行 父接口的 <clinit>() 方法，当如果用到了父接口中定义的变量，父接口才会初始化,执行它的 <clinit>() 方法。